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生物質炭在農田生態系統中的應用
壤是陸地生態系統的主要碳庫，而土壤碳庫對土壤肥力以及作物產量等有重要的影響，以下是小編搜集整理的一篇探究生物質炭在農田生態系統中應用的論文范文，供大家閱讀參考。
摘要：近年來，生物質炭作為一種應對氣候變化實現農田生態系統固碳減排的重要措施，被廣泛應用于各類室內以及田間試驗中，因此施用生物炭已經成為一種實現農田生態系統固碳減排的雙贏策略。通過總結歸納生物炭對作物產量、酸性土壤理化性質、溫室氣體排放以及固碳等方面的影響，以期為實現生物炭在農田生態系統中的推廣應用提供理論依據。
關鍵詞：生物質炭;氣候變化;作物產量;溫室氣體排放;農田生態系統;應用
引言
人類的農業生產活動以及其他措施大幅度影響土壤碳氮循環變化，其表現和影響之一就是大氣中溫室氣體的含量不斷增加，從而導致全球氣候持續變暖等負面效應[1]。如何減少土地利用中溫室氣體排放增加陸地生態系統碳匯是當前減緩氣候變化研究的熱點[2]。土壤是陸地生態系統的主要碳庫，而土壤碳庫對土壤肥力以及作物產量等有重要的影響[3-5]。碳、氮循環是農田生態系統最基本的生態過程，受到人為作用的影響和調控，同時對農田生態系統的穩定性、生產力及其環境效應具有關鍵性的影響。由于施肥量大、用地方式不合理等原因造成的土壤肥力退化、土壤酸化等情況，嚴重威脅著環境安全以及可持續發展的落實。因此，找到切實可行的減排固碳措施能夠達到生產與環境的雙贏。
為了應對土壤碳庫以及氣候變化，各類措施已經被廣泛實施與應用，但是效果并不顯著[6-7]。例如秸稈還田雖然可以增加蔬菜產量，但是由于土壤的礦化作用等過程，并不能對土壤碳庫產生持續的影響(短于30年)[8]，還會造成溫室氣體排放的增加[9-10]。而生物炭由于其在土壤中的穩定性以及其碳負性固碳理念[11]，在近些年來被作為一種良好的減排措施廣泛應用于各類試驗中。生物炭是指各種有機植物殘體在無氧條件下高溫熱解或者氣化后的固態產物的統稱，能夠有效減少農業生態系統中N2O的排放[12-14]，增加農業土壤有機碳含量并且不增加或者少量增加CH4與CO2的排放[15-16]。同時，生物炭還能夠改良土壤，提高作物的生產力，因而可以作為農業應對氣候變化的增匯、增產的雙贏途徑。
1 生物炭對作物產量的影響
在絕大多數試驗中，生物炭均表現出對作物的增產作用。Jeffery等[17]的研究表明，施用生物炭對比無生物炭處理的作物產量增加了11.0%±1.4%。Jia等[18]的研究表明，施用生物炭能夠使蔬菜產量增加28%～48%。生物炭具有良好的物理性質和養分調控作用，能夠提高氮肥的有效性，施入土壤可以顯著促進種子萌發和生長，從而提高作物生產力[19]。生物炭施用量的不同對作物產量同樣存在影響。Chan等[20]用采自于新威爾士南部的小牧場周圍的平原的淋溶土壤進行了生物炭的蘿卜盆栽試驗，處理的生物炭用量分別為0、10、25、50 t/hm2，并設計2個氮肥水平(0、100 kg/hm2)，在無氮肥配施處理中，生物炭用量為10、50 t/hm2的處理比對照分別增產 42%和96%，而其他施炭量對作物產量影響無顯著差異。當然生物炭的施入在一些試驗中也對作物表現出減產作用。例如在火山灰土上施用生物炭對田間種植的大豆和玉米表現出減產的作用[21]，因此生物炭的增產作用及適宜用量還需視農田作物類型土壤類型和性質以及施肥情況而定。生物炭能夠提高土壤中微量元素的有效性，例如酸性土壤中的鈣離子和鎂離子等[22-23]。同樣，施用生物炭還能夠提高土壤中氮素的利用率[24-25]以及增加土壤中的酶活性[26]。
2 生物炭在酸性土壤中的應用
在熱帶以及亞熱帶地區，土壤pH值低和鋁含量高是制約作物產量的限制性因子[27]。隨著農業的發展，為了保證作物的產量，氮肥的大量施入會導致土壤酸化的現象，這也會減少作物產量。生物炭含有的灰分元素如鉀、鈣、鎂離子等都呈可溶態，施入土壤可提高酸性土壤的鹽基飽和度，以提高土壤的pH值、降低酸性土中鋁的飽和度。也有研究表明，非堿性的生物炭對作物沒有增產作用[22]。Jeffery等[17]人的研究表明，生物炭的施入使土壤的pH值提高了0.1～2.0，變化幅度較大。隨著土壤pH值的上升，土壤中的有效鉀離子和磷離子的含量也會增加[28]，并且有毒性的鋁離子含量會顯著下降[29-30]。因此，生物炭中的石灰組分不僅提高了植物生長所需的礦物質營養元素，同時也降低了熱帶亞熱帶酸性土壤中鋁離子的毒性脅迫作用，從而提高了糧食生產的安全性。
3 生物炭的固炭作用
通常，CO2通過植物的光合作用，被各類陸地生態系統中被固定。在光合作用的過程中，這些1/2的CO2被用于植物用于自身的呼吸作用，另外1/2通過植物殘體凋落的方式返還給土壤，并在各類土壤微生物以及酶催化的過程中分解有機質生成CO2排放到大氣當中，在這個過程中稱之為生態系統的碳中性。在這個過程中，由于高溫熱解過程中生產生物炭分解速度慢的特點，會有比較大一部分的碳元素通過土壤物理過程的保護成為惰性的土壤碳庫，留在土壤中實現農田生態系統的的固碳。生物炭的在農田生態系統中的固碳能力要遠遠超出其他有機物的施用，其原因是由于其獨特的疏松多孔結構及其芳香環穩定的特性，保證其在農田土壤中維持長期的穩定狀態。在農田生態系統生產的過程中，會產生非常多的植物殘體[31]。通常情況下，焚燒有機物是一個比較常見的措施，在此過程中有機物中所有的碳元素都以 CO2的形式釋放到空氣中，并沒有在土壤中增加有機碳的固定。因此，通過高溫熱解的方式把生物垃圾轉換為生物質炭并應用于農田生態系統中成為近年來的一個熱點研究方向，此措施能夠把殘留植物部分轉化為潛在的生物能源，還能夠有效地增加農田土壤碳固定以及提高土壤的肥力。Marris[32]曾經在綜述中提到了在全球范圍內生物炭的固碳潛在能力。Okimori等[33]估算，若印尼每年有36.8萬t的作物秸稈以及廢棄物，通過高溫熱解可轉化為7.70萬t的生物炭而施入土壤儲存，通過這種方式能夠大幅減少農田生態系統向大氣排放的CO2的總量。到2100年，人類活動排放二氧化碳量的1/4將可以通過處理廢棄有機質得到的生物炭進行封存，這可能降低大氣中二氧化碳濃度達40 mL/m3。
4 生物炭對溫室氣體排放的影響
生物炭施入土壤后，能夠顯著地表現出對于溫室氣體的減排作用。其原因主要是由于生物炭施入后使得土壤容重降低，通氣性改善，加上生物炭的高C/N比，限制了氮素的微生物轉化和反硝化，從而改變了農田生態系統的氮循環[8]。除此之外，生物炭的施用在大多數試驗中都表現出提高土壤 pH值的能力，這使得土壤反硝化產生的N2O的比例會有所上升。當土壤pH值為中性時N2是反硝化的主要產物，當pH值降低時則有利于N2O的釋放。不過在一些試驗中生物炭也沒有表現出比較好的減排效果，其原因和施用生物炭的性質(灰分含量等)以及各類農田生態系統的異質性都存在著聯系。Zhang等[16]的研究表明，施入20 t/hm2和40 t/hm2的生物炭能夠顯著減少玉米地N2O排放量10.7%和41.8%，從而降低玉米地的綜合溫室效應。同時，在稻田中施入生物炭能夠顯著降低N2O排放量21%～51%。在Jia等[18]的研究中，生物炭同樣可以顯著減少菜地土中N2O的排放。但是受生物炭種類以及試驗地WFPS等因素的影響，生物炭在一些試驗中也沒有體現出對N2O的減排作用[34]。Xie等[35]和Kammann[36]的研究表明，在土壤WFPS大于80%的時候，生物炭能夠顯著增加N2O的排放。Yanai等[12]的研究表明，在83%土壤WFPS時，生物炭對N2O出現增加排放的作用，但是在較低土壤WFPS時則可以顯著減少N2O的排放。近些年，來稻田中關于生物炭對CH4排放的影響也有很多報道[16，37-39]，而稻田中土壤CH4排放量則主要受到土壤可利用有機碳含量的影響[9，40-41]。而生物炭的性質比較穩定，相比秸稈等生物質不能快速顯著地提高土壤有機碳的含量，因此對稻田CH4的排放影響相關性不大[42]。雖然在各類試驗中，生物炭被大量應用于固碳減排，但是其作用機理以及對于農田土壤氮素的轉化缺乏比較深入的研究，對于土壤微生物以及酶活性等的研究也較少，因此生物炭對農業生態系統土壤氮素的轉化仍然需要進一步研究和探索。
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